Plantekongres 2008Dias 1

Forbedret fotosyntese – en vej til øget udbyttePoul Erik JensenLaboratorium for Molekylær Plantebiologi

Plantekongres 2008Dias 2

Udbytte potentiale

Væksten i udbyttet de sidste 50 år skyldes for 50% vedkommende arvelige forbedringer – dvs forædling.

De øvrige 50% skyldes gødning, mekanisering og pesticider.

Plantekongres 2008Dias 3

Begrænsninger

Målet er et øget udbytte uden yderligere input af vand, gødning og pesticider.

Lidt populært sagt: Udbytteforøgelsen skal ”....indad vindes”!

Plantekongres 2008Dias 4

Øget udbytte

Øget udbytte bestemmes af fotosyntese minus respiration

– dvs effektiviteten hvormed det

absorberede lys omsættes til biomasse fratrukket tab i respirationen.

Plantekongres 2008Dias 5

Fotosyntese

Triose-P

CO2

Fru-6-P

SUKROSE

STIVELSE

Triose-P

ATP NADPH

ADP Pi NADP+

Calvincycle

Grønkorn

Fru-1,6-P2

Fru-6-P

GLYKOLYSIS

CELLE VÆGGE

PPP

HEXOSES

RESPIRATION

Mitochondrion

EKSPORT RØDDER, FRUGT, KERNER

Pi

Fruktaneror

Hexoser

Vacuole

Cellekerne

Pi

SIGNALERTIL GENE EXP.

LYSREAKTIONER

1

3

2Triose-P

CO2

Fru-6-P

SUKROSE

STIVELSE

Triose-P

ATP NADPH

ADP Pi NADP+

Calvincycle

Grønkorn

Fru-1,6-P2

Fru-6-P

GLYKOLYSIS

CELLE VÆGGE

PPP

HEXOSES

RESPIRATION

Mitochondrion

EKSPORT RØDDER, FRUGT, KERNER

Pi

Fruktaneror

Hexoser

Vacuole

Cellekerne

Pi

SIGNALERTIL GENE EXP.

LYSREAKTIONER

1

3

2

1. Lyshøstning

2. Omdannelse

3. Transport og lagring

6CO2 + 6H2O C6H12O6 + 6O2

Plantekongres 2008Dias 6

Hvad er begrænsende?Lyshøstning/omdannelse eller transport/lagring

Triose-P

CO2

Fru-6-P

SUKROSE

STIVELSE

Triose-P

ATP NADPH

ADP Pi NADP+

Calvincycle

Grønkorn

Fru-1,6-P2

Fru-6-P

GLYKOLYSIS

CELLE VÆGGE

PPP

HEXOSES

RESPIRATION

Mitochondrion

EKSPORT RØDDER, FRUGT, KERNER

Pi

Fruktaneror

Hexoser

Vacuole

Cellekerne

Pi

SIGNALERTIL GENE EXP.

LYSREAKTIONER

1

3

2Triose-P

CO2

Fru-6-P

SUKROSE

STIVELSE

Triose-P

ATP NADPH

ADP Pi NADP+

Calvincycle

Grønkorn

Fru-1,6-P2

Fru-6-P

GLYKOLYSIS

CELLE VÆGGE

PPP

HEXOSES

RESPIRATION

Mitochondrion

EKSPORT RØDDER, FRUGT, KERNER

Pi

Fruktaneror

Hexoser

Vacuole

Cellekerne

Pi

SIGNALERTIL GENE EXP.

LYSREAKTIONER

1

3

2

Det er Lyshøstning (1)/omdannelse (2).

Eller øget lyshøstning bevirker øgettransport/lagring (3).

Plantekongres 2008Dias 7

Lysudnyttelse

Maximalt 0.051% af sollyset kan omsættes til biomasse!

I praksis har man observeret 0.035% udnyttelse.

– Udbyttet kan derfor øges

med tæt på 50% hvis vi kan forbedre lys-udnyttelsen.

Plantekongres 2008Dias 8

Lysmætning

X Y

(Long et al., Plant, Cell and Environment 29, 2006)

Mulige forbedringer af lysudnyttelsen:

Ændre på Rubisco 5-60%Forbedret Calvin cyklus 0-20%C4 fotosyntese i C3 planter 2-35%Forbedret bladvinkel 0-40%

Undgå fotoinhibering (øget stress tolerance) og hurtigere genopretning efter fotoinhibering 6-40%

Optimering af lyshøstning vedikke-mættende lysforhold ?

Mindsket respiration ?(Emnet for næste foredrag)

Plantekongres 2008Dias 9

Variation i lysindstråling

(Kulheim et al., Science 297, 2002)

Ofte forløber fotosyntesen under begrænsende lys!

Plantekongres 2008Dias 10

Optimering af fotosyntese under begrænsende lys – state transitions

O2+ H+

- Omfordeling af antennen mellem de to fotosystemer

Stroma

Lumen

Pc

PSICyt bf

PQH2P700

PSII

H2O O2+H+

P680

PQ

LH

CII

Stroma

LumenPc

PSICyt bf

PQH2P700

PSII

H2O

P680PQ

LH

CIIP

FJ

A

G

K

LHO

BI

DC

E

Lhca3

Lhca2

Lhca4

Lhca1

(Lunde et al., Nature 408, 2000; Jensen et al., JBC 279, 2004)

Fotosystem I

Uden state transition:10-20% færre frø i modelplanter.

Plantekongres 2008Dias 11

Stroma

Lumen

Pc

PSICyt bf

PQH2P700

PSII

H2O O2+H+

P680

PQ

LH

CII

Stroma

Lumen

Pc

PSICyt bf

PQH2P700

PSII

H2O O2+ H+

P680

PQ

LH

CII

P

(Kouril et al., Biochemsitry 44, 2005)

Et fotosystem I superkompleks

Plantekongres 2008Dias 12

Konklusion

1. State transition er vigtig under ikke-mættende lysforhold hvor også lyskvaliteten varierer.

- kan hurtigere eller øget state transition resultere i øget eller stabiliseret udbytte?

2. Ved mættende og kraftigere lysforhold er øget stress tolerance vigtig.

- vil øget stress beredskab øge udbyttet?

3. Under vedvarende kraftige lysforhold indtræder fotoinhibering.

- øget udbytte som følge af øget fotobeskyttelse (xanthofyl kapacitet) er allerede påvist i ris.

Plantekongres 2008Dias 13

Tak for jeres opmærksomhed!

PSI-gruppen v. Laboratorium for Molekylær Plantebiologi:

Anastassia KhrouchtchovaAnne StenbækChristina LundeAnna HaldrupHenrik Vibe Scheller

Poul Erik Jensen

Groningen Universitet:

Egbert Boekema

Amsterdam Universitet:

Jan Dekker

Tak til: